基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備及方法，該設(shè)備包括被測信號經(jīng)過機箱接線端子轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，首先經(jīng)過電壓傳傳感器和抗頻譜混疊濾波器處理環(huán)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集板來進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送到工控機，由工控機通過安裝在其內(nèi)的LabVIEW軟件程序發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)通信、儀器控制及數(shù)據(jù)輸出。該設(shè)備的方法，包括步驟有：（1）設(shè)計一種濾波器對信號進行去噪處理，利用定義的結(jié)構(gòu)元對信號進行匹配或局部修正，對各種形態(tài)分量進行分解、提取或者變形；（2）利用小波變換奇異性檢測原理經(jīng)過多層分解來對暫態(tài)電能質(zhì)量擾動進行定位和檢測。本發(fā)明利準確對電網(wǎng)電壓幅值跌落、相位跳變、三相電壓不平衡進行定位和分析。
【專利說明】基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風力發(fā)電電壓跌落監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著風力發(fā)電所占比重的不斷增長，風電場的運行對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響變得愈加重要。而低電壓穿越能力正是并網(wǎng)技術(shù)要求的關(guān)鍵一項?，F(xiàn)在有關(guān)國家標準中對這一暫態(tài)標準確還沒有完整的相關(guān)內(nèi)容。由于傳統(tǒng)傅立葉變換分析方法的缺陷，無法完成對暫態(tài)電能質(zhì)量的檢測和分析工作。電壓跌落檢測的難點在于突變和非平穩(wěn)的信號。而近年來隨著小波變換理論的發(fā)展和不斷完善已使得小波變換在暫態(tài)電能質(zhì)量檢測領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，近年來風電的迅速發(fā)展使得風電所占供電比重迅速增長，風電場的運行對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也變得不容忽視，除了要將風電機組自身的技術(shù)水平提高，還對風電機組有了更嚴格的并網(wǎng)技術(shù)要求，而低電壓穿越(LVRT)能力正式這其中的關(guān)鍵一項。低電壓穿越能力是指風機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網(wǎng)，甚至能夠給電網(wǎng)提供部分無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個低電壓過程。因此對額定電壓跌落特征量的測量是十分重要的，也是進步一采取治理和控制措施的依據(jù)和前提。
[0003]由于設(shè)備安裝、外界電磁等原因，使得暫態(tài)信號中經(jīng)常夾雜噪聲，隨機噪聲在信號中體現(xiàn)為奇異點。而同時暫態(tài)信號中包含大量的高頻信息，對有用的和無用的信息要進行相應(yīng)的保留和刪除，因此在傳輸和存儲中壓縮數(shù)據(jù)仍然是不可或缺的一部分，而其去噪和壓縮在其思想方法上是基本一致的。而對于這些檢測的難點是對突變的、暫態(tài)的、非平穩(wěn)的信號檢測和分類，傳統(tǒng)的傅里葉變換不能完全的提取信號的暫態(tài)特征，在暫態(tài)電能質(zhì)量信號分析方面呈現(xiàn)時頻不能局部化的缺陷。而小波變換因其良好的時頻局部化特征和處理突變信號的能力已被廣泛應(yīng)用于檢測和識別電能質(zhì)量擾動。但小波變換又存在頻帶混疊、泄漏效應(yīng)及對脈沖干擾的抑制不夠理想等問題，而在積分幾何基礎(chǔ)上創(chuàng)立的數(shù)學形態(tài)學提供了一種濾除白噪聲和脈沖噪聲非常有效的非線性濾波技術(shù)，并且數(shù)學形態(tài)學對信號的處理速度快，時延小，易于硬件實現(xiàn)，處理后的信號，其相位和幅值特征不會變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備及方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備，該設(shè)備包括機箱接線端子及依次連接的電壓傳感器、抗頻譜混疊濾波器、數(shù)據(jù)采集板及工控機，被測信號經(jīng)過機箱接線端子轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，首先經(jīng)過電壓傳傳感器和抗頻譜混疊濾波器處理環(huán)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集板來進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送到工控機，由工控機通過安裝在其內(nèi)的LabVIEW軟件程序發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)通信、儀器控制及數(shù)據(jù)輸出。[0007]而且，所述電壓傳感器采用的型號為WBV411D07，所述數(shù)據(jù)采集板采用的型號為NIPC1-6133。
[0008]一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備的方法，包括步驟如下:
[0009](I)設(shè)計一種基于數(shù)學形態(tài)學的濾波器對信號進行去噪處理，利用預(yù)先定義的結(jié)構(gòu)元對信號進行匹配或局部修正，對集中于物體形態(tài)中的各種形態(tài)分量進行分解、提取或者變形，從而達到提取信號、保持細節(jié)和抑制噪聲的目的；
[0010](2)利用小波變換奇異性檢測原理經(jīng)過多層分解來對暫態(tài)電能質(zhì)量擾動進行定位和檢測。
[0011]而且，所述步驟(I)的具體方法步驟為:
[0012]①預(yù)先定義結(jié)構(gòu)單元
[0013]基于數(shù)學形態(tài)學處理方法的結(jié)構(gòu)元素填充探測，影響濾波性能的關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)元素形狀的選取，結(jié)構(gòu)元素的選擇主要包括結(jié)構(gòu)元素的形狀，也就是結(jié)構(gòu)元素的直線、矩形、橢圓、余弦、寬度以及高度，為了提高計算速度，選取直線型結(jié)構(gòu)元素；
[0014]②對信號進行匹配，并對匹配后的數(shù)據(jù)進行修正
[0015]對不同的信號確定結(jié)構(gòu)元素長度的選取，結(jié)構(gòu)元素長度的選擇范圍:
[0016]L=fs/2/f1
[0017]式中，fs為采樣頻率，該長度的結(jié)構(gòu)元素可以消除頻率大于的信號及噪聲，并且為了濾除脈沖噪聲，直線型結(jié)構(gòu)元素的寬度要大于采樣信號中最大脈沖的寬度，
`[0018]③對信號進行去噪處理
[0019]數(shù)學形態(tài)學的運算以腐蝕和膨脹這兩種基本運算為基礎(chǔ)，并引出開、閉及開閉的級聯(lián)組合，形態(tài)變換分為二值形態(tài)變換和多值形態(tài)變換，電力米樣信號為一維信號，對于一維離散情況下的多值形態(tài)變換為:
[0020]設(shè)f (n)是采樣得到的一維多值信號，g(x)為一維結(jié)構(gòu)元素序列，A、B分別為f(n)和 g(x)的定義域，A={0，1,2,..., N-1}，B={0，1,2,..., M-1}，且有 M〈N，則離散信號 f(n)(n G A)關(guān)于g(x)的形態(tài)腐蝕和膨脹運算分別定義為:
[0021 ] (f 0 g) (n) =min [f (n+m) -g (m)]
[0022]((n+m) G A, m G B)
[0023](f ffi g) (n) =max [f (n-m) +g (m)]
[0024]((n-m) G A, m G B)
[0025]式中，0為腐蝕運算；?為膨脹運算；n=l，2，...，N。
[0026]先腐蝕后膨脹就構(gòu)成了開運算，而先膨脹后腐蝕就構(gòu)成了閉運算，開運算和閉運算分別定義為:
[0027](f O g) (n) = (f ? g ? g) (n)
[0028](f ? g) (n) = (f ? g ? g) (n)
[0029]這里我們構(gòu)造一類廣義開-閉和閉-開濾波器，定義為:
[0030]Goc (f (n) ) = (f O gj ? g2) (n)
[0031 ] Gco (f (n) ) = (f ? gj o g2) (n)
[0032]對于開-閉濾波器，先利用開運算濾除正脈沖噪聲，同時增強了負脈沖噪聲，再利用長度大于前級的結(jié)構(gòu)元素進行閉運算，消除增強了的負脈沖噪聲，而對于閉-開濾波器也是同樣；
[0033]在電力信號檢測時，先應(yīng)確定最佳權(quán)系數(shù)，但為了提高計算速度，依據(jù)廣義形態(tài)濾波中存在的統(tǒng)計偏移現(xiàn)象，廣義開-閉濾波器的輸出幅值小而廣義閉-開濾波器的輸出幅值大，可直接取:
【權(quán)利要求】
1.一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備，其特征在于:該設(shè)備包括機箱接線端子及依次連接的電壓傳感器、抗頻譜混疊濾波器、數(shù)據(jù)采集板及工控機，被測信號經(jīng)過機箱接線端子轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，首先經(jīng)過電壓傳傳感器和抗頻譜混疊濾波器處理環(huán)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集板來進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送到工控機，由工控機通過安裝在其內(nèi)的LabVIEff軟件程序發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)通信、儀器控制及數(shù)據(jù)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備，其特征在于:所述電壓傳感器采用的型號為WBV411D07，所述數(shù)據(jù)采集板采用的型號為NIPC1-6133。
3.一種基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備的方法，其特征在于包括步驟如下: (1)設(shè)計一種基于數(shù)學形態(tài)學的濾波器對信號進行去噪處理，利用預(yù)先定義的結(jié)構(gòu)元對信號進行匹配或局部修正，對集中于物體形態(tài)中的各種形態(tài)分量進行分解、提取或者變形，從而達到提取信號、保持細節(jié)和抑制噪聲的目的； (2)利用小波變換奇異性檢測原理經(jīng)過多層分解來對暫態(tài)電能質(zhì)量擾動進行定位和檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備的方法，其特征在于:所述步驟(I)的具體方法步驟為: ①預(yù)先定義結(jié)構(gòu)單元 基于數(shù)學形態(tài)學處理方法的結(jié)構(gòu)元素填充探測，影響濾波性能的關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)元素形狀的選取，結(jié)構(gòu)元素的選擇主要包括結(jié)構(gòu)元素的形狀，也就是結(jié)構(gòu)元素的直線、矩形、橢圓、余弦、寬度以及高度，為了提高計算速度，選取直線型結(jié)構(gòu)元素； ②對信號進行匹配，并對匹配后的數(shù)據(jù)進行修正 對不同的信號確定結(jié)構(gòu)元素長度的選取，結(jié)構(gòu)元素長度的選擇范圍:
L=fs/2/f1 式中，fs為采樣頻率，該長度的結(jié)構(gòu)元素可以消除頻率大于的信號及噪聲，并且為了濾除脈沖噪聲，直線型結(jié)構(gòu)元素的寬度要大于采樣信號中最大脈沖的寬度， ③對信號進行去噪處理 數(shù)學形態(tài)學的運算以腐蝕和膨脹這兩種基本運算為基礎(chǔ)，并引出開、閉及開閉的級聯(lián)組合，形態(tài)變換分為二值形態(tài)變換和多值形態(tài)變換，電力采樣信號為一維信號，對于一維離散情況下的多值形態(tài)變換為: 設(shè)f (n)是采樣得到的一維多值信號，g(x)為一維結(jié)構(gòu)元素序列，A、B分別為f (n)和g(x)的定義域，A={0，1，2，…，N-1}，8={0，1，2，...M-1}，且有狀化則離散信號€(11)(n G A)關(guān)于g(x)的形態(tài)腐蝕和膨脹運算分別定義為:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波分析的風力發(fā)電低電壓穿越檢測設(shè)備的方法，其特征在于:所述步驟(I)的具體方法步驟為: ①確定小波變換基小波 設(shè)e (t)是一個起平滑作用的低通平滑函數(shù)，并且滿足以下條件
【文檔編號】G01R31/34GK103454537SQ201310421623
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】劉云, 李曉輝, 李國棟, 王旭東, 劉亞麗, 胡曉輝 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)天津市電力公司